地铁施工工艺

2盾构法盾构法是暗挖隧道施工中一种先进的工法。盾构法施工不仅施工进度快，而且无噪音，无振动公害，对地面交通及沿线建筑物、地下管线和居民生活等影响较少。由于管片采用高精度厂制预制构件，机械化拼装，因而质量易于控制。盾构技术的发展，尤其是泥水式、土压平衡式盾构的开发、使之在松散的含水砂层、砂夹卵石层、高水压地层等所有地层中进行开挖成为可能，所以当工程地质和水文地质条件以及周围环境情况等难以用矿山法和明挖法施工时，盾构法是较好的选择.上海地铁及广州地铁盾构施工的区间隧道工程质量优良、对城市环境影响小，所取得的成就令人瞩目。因此，地铁区间隧道采用盾构技术已成为发展的必然趋势.继以上两城市采用盾构技术之后，南京、北京、深圳地铁区间隧道，均采用了盾构法施工，目前工程正在实施之中。3.2.1盾构机类型的选择盾构施工法是“使用盾构机在地下掘进，边防止开挖面土砂崩塌，边在机内安全地进行开挖作业和衬砌作业，从而构筑成隧道的施工工法”，因此，盾构施工工法，是由稳定开挖面、盾构机挖掘和衬砌三大要素组成。选择盾构施工方法时，在充分掌握各种施工方法特点的基础上，根据工程的围岩条件，选择能保持开挖面稳定的机型，对于确保施工顺利和安全可靠至关重要；成都地铁通过地层为富水的松散、无自稳能力的砂卵石层，砾卵石含量高，且在隧道范围内可能存在随机分布的少量大粒径漂石，因此，所选择的盾构机，既要能确保开挖面的稳定，又能处理少量大粒径漂石。据调查，目前世界上已有相当数量的工程实例及相应的盾构机设备。如瑞士的Grauholz隧道是-座长5.5km的铁路双线隧道，内径10.6m.通过地段地质十分复杂，由于冰河时代阿尔卑斯山的冰川汇人该地区，松散的土壤沉积物构成了该地区的整个地质构造：粘土、细砂、中砂及卵石，还可能遇到抗压强度高达200MPa，尺寸超过几米的大块砾石.由于隧道两端洞口区段由富含地下水的松散沉积物构成，中间段通过稳定岩层，盾构机选用直径为11.6m的混合式盾构，在松散地层中采用泥浆盾构的开挖方式，利用锚固在刀盘上的刀具切割大砾石，在岩层地段采用敞开式掘进方式。又如德国汉堡4座易北河公路隧道，隧道长3.1km，内径12.35m，隧道沿线遇砂、淤泥、冰河漂流物以及直径大于2m的大块漂石。隧道掘进采用直径14.2m的混合式盾构机，以泥浆支护其开挖面，完成了其中2561m地段的隧道工程。英国FyldeCoastal水利改建工程、加拿大Shcppald大街地铁隧道，成功的采用盾构机刀盘上的滚刀处理了地层中卵石。在日本，由于地质条件复杂，位于山地河流带多为砂卵石且含有大漂石地层。据不完全统计，在最大卵石粒径＞400mm的砂卵石地层中，采用盾构法施工的工程实例见表1。由此表明在日本采用土压平衡式盾构或泥水式盾构在砂卵石且含有大粒径卵石地层中进行盾构隧道施工已有相当多的工程实例在自稳性差的饱水砂卵石地层中，为了保持开挖面的稳定应选择密封式盾构机，但究竟是选用泥水式盾构还是土压平衡式盾构机呢?下面将从开挖面稳定、大粒径漂石处理方式、排土设备、造价四个方面进行比较..2.2开挖面的稳定泥水式盾构是在盾构正面与支承环前面装置隔板的密封仓中，注入适当压力的泥浆，并与大刀盘切削下来的土体混合，经充分搅拌后形成高浓度的泥水，然后用排泥泵及管道输送至地面。由于有一定压力的高浓度泥水可在较短时间内使开挖面土体的表面形成透水性很低的泥膜，使泥水压力通过泥膜向土层传递，形成地层土水压力的平衡力。泥水盾构对地层扰动最小，地面沉降小（可控制在10mm），易于保护周围环境,如广州地铁一号线黄沙一公园前地段，隧道通过饱水砂层、淤泥等软弱地层，地面有密集的明末清初旧房,地铁施工采用两台泥水式盾构，成功的完成了四个区间盾构隧道，地面沉降基本控制在10mm以内。因此采用泥水式盾构通过建筑和铁路股道，安全性高.土压平衡式盾构是指在推进时靠由刀盘切削下来的土体使开挖面地层保持稳定的盾构。盾构的前端紧靠刀盘设置密封仓，盾构推进时，前端刀盘旋转切削土体，切削下来的土体进人密封土仓，当土仓内的土体足够多时，可与开挖面上的土、水压力相抗衡，使开挖面地层保持稳定.盾构在砂卵石地层中掘进时，因土的摩阻力大，渗透系数高，地下水丰富，单靠掘削土提供的被动土压力，常不足以抵抗开挖面的水、土压力；此外，由于土体的流动性差，使在密封仓内充满卵石土后，原有的盾构推力和刀盘扭矩常不足以维持正常推进切削的需要，密封仓内的碴土也不易于流人螺旋输送机和排出地面.因此，应向开挖面、土仓内、螺旋输送机内注人掭加剂(膨润土或高效发泡剂)，通过刀盘开挖搅拌作用，使注入的添加剂和开挖下来的土砂混合，而将泥土转变为具有流动性好和不透水的泥土，及时充满土仓和螺旋输送机体内的全部空间，通过盾构千斤顶的推力使泥土受压，与开挖面土压和水压平衡，以稳定开挖面。这类盾构称为加泥式土压平衡盾构。由于土压平衡式盾构，可通过控制排土量或进土量，较好的维持正面水土压力的平衡，在水位高，含砂量大的地段，可加入添加剂，提高土砂的流动性和不透水性，以保持开挖面的稳定。由于它对不同的地层有较好的适应性，所以目前土压平衡式盾构机已占绝对优势，国内地铁绝大多数选用土压平衡式盾构机施工区间隧道,均取得了较好的效果。与泥水式盾构相比，在砂、砾石层中掘进时,只需加适当的添加剂，就能保持开挖面的稳定，但省去了分离设备，因而加泥式土压平衡盾构的出现是盾构法技术的一大进步.2)加泥式土压平衡盾构加泥式土压平衡盾构是采用螺旋输送器进行排土，由于配备的螺旋机直径受到盾构机尺寸的限制，所以可能排除的卵石直锄；受到限制，如中轴式螺旋输送器直径为700mm时，通过最大砾石粒径为250mm，采用带式螺旋输送器虽然可以连续排除砾石的粒径要大得多，但是对于少见＞600mm的漂石输送亦有困难，所以仍需利用刀盘上的滚刀将大粒径的漂石破碎至300〜400mm左占，然后通过刀盘上的开口放进机内后采用带式螺旋输送器排土，所以采用加泥式土压平衡盾构只进行一次破碎，且破碎的数量较少，出土效率高3.2.4排土设备(1)泥水式盾构泥水式盾构是通过排泥管和排泥泵将土石送至地面泥浆处理场，经分离后的泥浆再通过送泥管输送至工作面。由于开挖下来的石土为砂卵、碎土石，对排泥管和泵的摩耗较大。在管路弯曲部位或盾构机不可能更换的部位，应采取厚管壁管道等措施。排泥泵的能力必须能确保所需的流量和扬程，还必须确保碴土中的固体物能够顺利通过。(2)加泥式土压平衡盾构排土设备可选择中轴式螺旋输送器或带式螺旋输送器。中轴式螺旋输送器可连续排除石块的粒径受限，但是止水性和耐压陛较好。带式螺旋输送器可排除400mm石块，但止水性差。为解决带式螺旋输送器产生土砂喷发现象，除加人添加剂外，可在输送器上加设滑动闸门、锥阀等止水装置，或采用两段带式螺旋输送器来解决。3.2.5设备费用泥水式盾构需配置庞大的泥浆分离设备，费用高，占地面积大。成都地铁拟定的盾构始发井地段难以找到其场地。加泥式土压平衡盾构开挖出来的含部分添加剂的土石如不进行处理，则可省去大笔分离设备费用和场地。两者相比较加泥式土压平衡盾构机设备费用低。3.2.6推荐采用的盾构机类型(1)技术经济比较以下从十一个方面对泥水式盾构和加泥式土压平衡盾构进行比较(表2)表2泥水式盾构与加泥式土压平衡盾构优缺点比较1、明挖法明挖法是指挖开地面，由上向下开挖土石方至设计标高后，自基底由下向上顺作施工，完成隧道主体结构，最后回填基坑或恢复地面的施工方法。明挖法是各国地下铁道施工的首选方法，在地面交通和环境允许的地方通常采用明挖法施工.浅埋地铁车站和区间隧道经常采用明挖法，明挖法施工属于深基坑工程技术。由于地铁工程一般位于建筑物密集的城区，因此深基坑工程的主要技术难点在于对基坑周围原状十的保护,防止地表沉降，减少对既有建筑物的影响。明挖法的优点是施工技术简单、快速、经济，常被作为首选方案。但其缺点也是明显的，如阻断交通时间较长，噪声与震动等对环境的影响.明挖法施工程序一般可以分为4大步：维护结构施工一内部土方开挖一工程结构施工一管线恢复及覆土，如图1.上海地铁M8线黄兴路地铁车站位于上海市控江路、靖宇路交叉口东侧的控江路中心线下。该车站为地下2层岛式车站，长166.6m，标准段宽17。2m，南、北端头井宽21。4m。标准段为单柱双跨钢筋混凝土结构，端头井部分为双柱双跨结构，共有2个风井及3个出人口。车站主体采用地下连续墙作为基坑的维护结构，地下连续墙在标准段深26.8m。墙体厚0。6m。车站出人口、风井采用SMW桩作为基坑的维护结构。2、盖挖法盖挖法是由地面向下开挖至一定深度后，将顶部封闭，其余的下部工程在封闭的顶盖下进行施工。主体结构可以顺作，也可以逆作.在城市繁忙地带修建地铁车站时,往往占用道路，影响交通当地铁车站设在主干道上，而交通不能中断，且需要确保一定交通流量要求时，可选用盖挖法。2。1盖挖顺作法盖挖顺作法是在地表作业完成挡土结构后，以定型的预制标准覆萧结构（包括纵、横梁和路面板）置于挡土结构上维持交通，往下反复进行开挖和加设横撑，直至设计标高。依序由下而上，施工主体结构和防水措施，回填土并恢复管线路或埋设新的管线路。最后，视需要拆除挡上结构外露部分并恢复道路。施工顺序如图2。在道路交通不能长期中断的情况下修建车站主体时，可考虑采用盖挖顺作法。工程实例:深圳地铁一期工程华强路站位于深圳市最繁华的深南中路与华强路交叉口西侧，深南中路行车道下.该地区市政道路密集，车流量大，最高车流量达3865辆/h.车站主体为单柱双层双跨结构，车站全长224.3m，标准断面宽18.9m，基坑深约18.9m，西端盾构并处宽22.5m，基坑深约18.7m。南侧绿地内东西端各布置一个风道.主体结构施工工期为2年，其中围护结构及临时路面施工期为7个月.为保证深南中路在地铁站施工期间的正常行车，该路段主体结构施工采用盖挖顺作法施工方案。2。2盖挖逆作法盖挖逆作法是先在地表面向下做基坑的维护结构和中间桩柱，和盖挖顺作法一样，基坑维护结构多采用地下连续墙或帷幕桩，中间支撑多利用主体结构本身的中间立柱以降低工程造价。随后即可开挖表层土体至主体结构顶板地面标高，利用未开挖的土体作为土模浇筑顶板。顶板可以作为一道强有力的横撑，以防止维护结构向基坑内变形，待回填土后将道路复原，恢复交通。以后的工作都是在顶板覆盖下进行，即自上而下逐层开挖并建造主体结构直至底板，如图3.如果开挖面积较大、覆土较浅、周围沿线建筑物过于靠近，为尽量防止因开挖基坑而引起临近建筑物的沉陷，或需及早恢复路面交通，但又缺乏定型覆盖结构，常采用盖挖逆作法施工。工程实例：南京地铁南北线一期工程的区间隧道在地质条件和周围环境允许的情况下，以造价、工期、安全为目标，经过分析、比较，选择了全线区间施工方法。其中，三山街站，位于秦淮河古河道部位，位于粉土、粉细砂、淤泥质粘土土层中.因为是第1个车站，又位于十字路口，因此采用地下连续墙作围护结构。除人口结构采用顺作法外，其余均为盖挖逆作法。2.3盖挖半逆作法盖挖半逆作法与逆作法的区别仅在于顶板完成及恢复路面后，向下挖土至设计标高后先浇筑底板，再依次向上逐层浇筑侧墙、楼板.在半逆作法施工中，一般都必须设置横撑并施加预应力，如图4。3、暗挖法暗挖法是在特定条件下，不挖开地面，全部在地下进行开挖和修筑衬砌结构的隧道施工力一法.暗挖法主要包括：钻爆法、盾构法、掘进机法、浅埋暗挖法、顶管法、沉管法等.其中尤以浅埋暗挖法和盾构法应用较为广泛，因此，本文着重介绍这两种方法。3。1浅埋暗挖法（浅埋矿山法）浅埋暗挖法即松散地层的新奥法施工，新奥法是充分利用围岩的自承能力和开挖面的空间约束作用，采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，对围岩进行加固，约束围岩的松弛和变形，并通过对围岩和支护的量测、监控，指导地下工程的设计施工。浅埋暗挖法是针对埋置深度较浅、松散不稳定的上层和软弱破碎岩层施工而提出来的，如深圳地铁区间隧道大部分采用了浅埋暗挖法施工。浅埋暗挖法的施工技术特点：围岩变形波及地表；要求刚性支护或地层改良；通过试验段来指导设计和施工。浅埋暗挖法施工隧道时，应根据工程特点、围岩情况、环境要求以及施工单位的自身条件等，选择适宜的开挖方法及掘进方式。施工中区间隧道常用的开挖方法是台阶法、CRD工法、眼镜工法等;城市地铁车站、地下停车场等多跨隧道多采用柱洞法测洞法或中洞法等工法施工。地下铁道是在城市区域内施工，对地表沉降的控制要求比较严格，所以更要强调地层的预支护和预加固，所采用的施工方法有超前小导管预注浆、开挖面深孔注浆、管棚超前支护.浅埋暗挖法的施工工艺可以概括为''管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”18个字，其工艺流程见图5.工程实例：北京地铁东单车站东南风道与车站主体结构正交，北侧在长安街下，中部及南侧穿过居民区，风道全长43.4m。采用浅埋暗挖洞桩法施工，在基本维持环境原状条件的情况下从地面居民生活区和人防设施下面顺利通过。3。2盾构法修建地铁随道盾构法施工是以盾构这种施工机械在地面以下暗挖隧道的一种施工方法。盾构（shield）是一个既可以支承地层压力又可以在地层中推进的活动钢筒结构。钢筒的前端设置有支撑和开挖土体的装置，钢筒的中段安装有顶进所需的千斤顶；钢筒的尾部可以拼装预制或现浇隧道衬砌环。盾构每推进一环距离，就在盾尾支护下拼装（或现浇）一环衬砌，并向衬砌环外围的空隙中压注水泥砂浆，以防止隧道及地面下沉。盾构推进的反力由衬砌环承担.盾构施工前应先修建一竖井，在竖井内安装盾构，盾构开挖出的土体由竖井通道送出地面.盾构法施工工艺见下图6所示。按盾构断面形状不同可将其分为：圆形、拱形、矩形、马蹄形4种。圆形因其抵抗地层中的土压力和水压力较好,衬砌拼装简便，可采用通用构件，易于更换，因而应用较为广泛;按开挖方式不同可将盾构分为:手工挖掘式、半机械挖掘式和机械挖掘式3种；按盾构前部构造不同可将盾构分为：敞胸式和闭胸式2种；按排除地下水与稳定开挖面的方式不同可将盾构分为：人工井点降水、泥水加压、土压平衡式，局部气压盾构，全气压盾构等。2、盾构法的主要优点：除竖井施工外，施工作业均在地下进行,既不影响地面交通，又可减少对附近居民的噪声和振动影响；盾构推进、出土、拼装衬砌等主要工序循环进行，施T易于管理，施工人员也比较少；土方量少穿越河道时不影响航运；施工不受风雨等气候条件的影响；在地质条件差、地下水位高的地方建设埋深较大的隧道，盾构法有较高的技术经济优越性。工程实例：北京地铁五号线即采用了盾构法施工地铁五号线是一条贯穿北京市中心的南北向地下交通大动脉。南起丰台区宋家庄，向北经蒲黄榆、祟文门、东单、东四、雍和宫止于昌平区太平庄北站，全长27。7km.由于该路段地上大型建筑物密集，交通流量大，地下管网复杂，为减少对城市经济和市民生活的影响，经专家论证，决定在雍和宫至北新桥约700m长的试验段率先采用盾构施工方法。该盾构为大直径土压平衡盾构机4、 沉管法沉管法是将隧道管段分段预制，分段两端设临时止水头部，然后浮运至隧道轴线处，沉放在预先挖好的地槽内，完成管段间的水下连接，移去临时止水头部，回填基槽保护沉管，铺设隧道内部设施，从而形成一个完整的水下通道。沉管隧道对地基要求较低，特别适用于软土地基、河床或海岸较浅，易于水上疏浚设施进行基槽开外的工程特点。由于其埋深小，包括连接段在内的隧道线路总长较采用暗挖法和盾构法修建的隧道明显缩短.沉管断面形状可圆可方，选择灵活。基槽开挖、管段预制、浮运沉放和内部铺装等各工序可平行作业，彼此干扰相对较少，并且管段预制质量容易控制。基于上述的优点，在大江、大河等宽阔水域下构筑隧道，沉管法称为最经济的水下穿越方案。按照管身材料，沉管隧道可分为2类:钢壳沉管隧道（有可分为单层钢壳隧道和双层钢壳隧道）和钢筋馄凝土沉管隧道.钢壳沉管隧道在北美采用的较多，而钢筋混凝土沉管隧道则在欧亚采用较多。沉管隧道施工主要工序：管节预制一基槽开挖一管段